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第 33 卷 第 1 期 2016 年 3 月 爆 破 BLASTING Vol 33 No 1 Mar 2016 doi 10 3963/ j issn 1001 -487X 2016 01 010 复杂地质条件下隧道爆破方案优化设计 袁红所 1， 张家铭1， 贺立新2， 史永锋2 （1 中国地质大学 （武汉）工程学院， 武汉 430074； 2 中铁隧道股份有限公司， 郑州 450001） 摘 要 为了改善鹧鸪山隧道爆破成型， 根据其地层特性， 结合新奥法开挖方案， 综合考虑现场实验及工程 经验， 设计出该里程段的爆破方案及装药参数。采用掏槽式光面爆破技术， 在 V 级围岩爆破施工中采用低 密度、 低爆速乳化炸药可有效地减少爆破对围岩的损伤和超挖量， 同时充分利用毫秒差形成的临空面， 加大 对爆破能量的利用率， 使得每次单循环炸药用量从 224 4 kg 减少到 120 3 kg， 节省了工程成本， 满足了施工 进度要求。对该隧道地层爆破施工中采取的方案和具体措施进行分析总结， 为软弱围岩隧道、 矿井等地下工 程爆破设计提供参考。 关键词 隧道爆破；掏槽；三台阶；千枚岩 中图分类号 TD235 3 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X （2016） 01 -0050 -05 Optimization of Tunnel′s Blasting Scheme under Complicated Geological Conditions YUAN Hong-suo1， ZHANG Jia-ming1， HE Li-xin2， SHI Yong-feng2 （1 Faculty of Engineering， China University of Geosciences， Wuhan 430074， China； 2 China railway tunnel Co LTD， Zhengzhou 450001， China） Abstract In order to improve the contouring of tunnel blasting in the Partridge Mountain tunnel， the blasting scheme and charging parameters are designed according to the ation characteristics， and the New Austrian Tun- neling excavation construction s and the field-test and the corresponding engineering experiences The bench cut of smooth blasting technology and low-density， low-blast speed emulsion explosive were used in the sur- rounding rock of level V， which decreased the damage to the surrounding rock and controlled the overbreak effectively greatly Besides， the free face ed by the difference between millisecond increased the utilization efficiency of blasting energy， and reduced the specific explosives in each single cycle from 224 4 kg to 120 3 kg， finally the pro- ject cost got decreased The plan helps to provide reference for design of soft and weak rock tunnels， mines and other underground blasting engineering Key words tunnel blasting ；cut；three-step；Phyllite 收稿日期 2015 -10 -01 作者简介 袁红所 （1992 - ） ， 男， 硕士研究生， 地质工程，（E-mail） 2848692633 qq com。 通讯作者 张家铭 （1976 - ） ， 男， 内蒙古人， 中国地质大学 （武汉） 工 程学院副教授、 博士， 主要从事矿岩爆破研究，（E-mail） 564844646 qq com。 为改善我国西部地区交通条件， 促进西部地区 经济发展， 近年来在西部高原建设长大隧道成为道 路建设的关键。传统隧道开挖方法有钻爆法和盾构 法， 钻爆法对地质条件适应性较强且成本低， 既适宜 坚硬岩石隧道也适宜破碎岩体隧道， 是隧道开挖最 常用的施工方法。高寒地区埋深大， 地层条件复杂， 爆破方案的设计是隧道建设安全质量、 成本控制的 关键工艺。鹧鸪山隧道是属于四川省阿坝州高原地 区汶马高速公路的控制性工程之一， 自开工以来， 爆 破超挖量大造成严重的经济损失， 为合理控制超挖 量， 有效降低工成本， 亟需重新优化设计该隧道爆破 方案。通过现场施工总结爆破开挖过程， 本着充分 合理利用毫秒差。 爆破形成的临空面 ［1， 2］， 可有效地减少对围岩 的扰动， 保证爆破效果。通过分析研究该隧道围岩 情况及爆破过程规律， 总结出适合该隧道的爆破设 计方案。 1 工程概况 鹧鸪山隧道位于四川省阿坝州理县境内， 作为汶 川至马尔康高速公路上穿越鹧鸪山的一条深埋特长 隧道， 左线单洞总长 8865 m， 右线单洞总长 8855 m， 最大埋深1400 m。鹧鸪山隧道汶川段洞身和斜井围 岩全部为Ⅳ级和Ⅴ级组成， 本标段负责鹧鸪山隧道 左线 V 级 和 IV 级 设 计 围 岩 比 例 为 53 9 和 461； 右线 V 级和 IV 级设计围岩比例为 52 89 和 47 2。岩层近直立， 总体走向为 S-N 走向， 岩 层主要以板岩为主夹千枚岩、 碳质千枚岩， 局部含变 质细砂岩， 薄 中厚层状构造， 板岩、 砂岩较坚硬， 受 构造挤压影响强烈， 岩层较破碎， 节理发育， 千枚岩 是软岩， 遇水易泥化， 岩层间无结合力， 整体呈碎裂 质片体结构。地下水发育， 呈点滴或线流状， 局部呈 股状， 拱顶稳定性极差。 工程地处高海拔严寒缺氧地区， 环境恶劣， 对施 工效率影响非常大。隧道穿过米亚罗断层等多个断 层破碎带， 围岩稳定性差， 施工风险高， 爆破参数选 取难度大， 确保不良地质地段的快速安全施工属于 本标段施工的难点。 2 施工方法简介 根据现场围岩情况， 本标段施工为Ⅴ级围岩加 强段， 采用三台阶预留核心土开挖法施工 ［3］， 开挖 配备 YT28 风钻钻孔， 开挖前进行掌子面开挖轮廓 线的放样。首先进行上部预留核心土开挖→初期支 护施工→中部左右侧错开 2 3 m 开挖→边墙支护 →下部左右侧错开 2 3 m 开挖→边墙支护。 开挖时喷 - 锚 - 网 - 钢 - 喷支护紧跟。采用小 型挖掘机配合重型自卸汽车出渣。具体开挖尺寸见 图 1。 图 1 Ⅴ级围岩加强段爆破开挖断面设计图 （单位 cm） Fig 1 Blasting of strengthening cross-sectional design of V level surrounding rock（unit cm） 3 原钻爆方案 原方案沿用传统式保守设计， 炸药用量大， 单耗 量高， 超挖不能合理的控制， 增加了单循环时间， 爆 破设计孔位分布如图 1 所示。 原设计方案将核心土部位作为掏槽眼， 不能合 理的利用临空面， 使用强迫掏槽， 层层推进， 对围岩 损伤极大， 超挖量大。其爆破参数， 仅设计单循环炸 药量达 224 4 kg， 具体数据如表 1 所示。 该方案周边眼装药结构采用连续装药加炮泥的 形式， 单孔装药 1 2 kg， 装药结构如图 2。 周边眼的装药方式直接决定了装药量和围岩损 伤程度， 其连线采用一把抓起爆网路连线方式， 孔内 采用非电毫秒雷管起爆， 孔外采用非电毫秒雷管传 爆。由于该种连线方式不能双向传导， 往往造成哑 炮， 徒增补炮时间和火工品的用量， 为保证施工进度， 控制超挖量， 需要对原有钻爆施工方案进行优化。 4 钻爆优化设计方案 4 1 钻爆施工要求 根据现场地质条件， 合理设计爆破参数， 使得开 挖进尺控制在 2 榀拱架间距范围内。超挖量控制在 15第 33 卷 第 1 期 袁红所， 张家铭， 贺立新， 等 复杂地质条件下隧道爆破方案优化设计 10 cm 以内。合理选择周边眼间距及周边眼的最小 抵抗线， 辅助炮眼交错均匀布置， 周边炮眼与辅助炮 眼眼底在同一垂直面上。选用低密度、 低爆速、 低猛 度的炸药， 本隧道采用 2 号岩石乳化炸药， 非电毫秒 雷管起爆， 其主要性能指标如表 2。 表 1 爆破装药参数 Table 1 Charge parameters of blasting 序号 炮眼 名称 区段 炮眼 深度/ m 炮眼 数量/ 个 装药量 单孔药量/ kg总药量/ kg 装药集中 度/ kg 炮泥 长度/ m 1周边眼112 0023 001 2027 600 600 25 上 台 阶 2掘进眼3 72 0031 001 6049 600 800 25 3掏槽眼12 40 6 002 2013 200 920 25 4底板眼92 2014 002 0028 000 900 25 5周边眼112 00 6 001 20 7 200 600 25 中 台 阶 6掘进眼5 72 00 8 001 6012 800 800 25 7底板眼92 20 6 002 0012 000 900 25 8周边眼132 00 6 001 20 7 200 600 25 下 台 阶 9掘进眼9 112 00 8 001 6012 800 800 25 10底板眼112 20 6 002 0012 000 900 25 核心 土 11掘进眼5 93 80 6 003 0018 000 800 25 12底板眼9 113 80 8 003 0024 000 830 25 合计130 00224 40 图 2 鹧鸪山隧道爆破周边眼装药结构 Fig 2 Blasting charge structure surrounding the hole of Partridge Mountain tunnel （1） 钻爆参数的选择 通过爆破试验确定爆破参数， 试验时参照表 3。 （2） 装药结构及堵塞方式 周边眼装药结构 用  32 药卷不耦合间隔装 药， 其中导向作用的眼不装药。 掏槽眼 仅中心较深炮孔底部装药 1 节， 上下两 孔不装药。 其他眼 均采用连续装药结构， 距离孔口 50 60 cm 为宜。 所有装药炮眼用炮泥或软纸团堵塞， 周边眼堵 塞长度不小于 25 cm。 表 2 主要性能指标 Table 2 Main perance indicators 炸药名称 殉爆距离/ cm猛度/ mm 性能指标 爆速/ （ms -1） 作功能力/ mL 药卷密度/ （gcm-3） 2 号岩石乳化炸药≥3 00≥12 00 ≥3 20 103≥260 000 95 1 30 表 3 光面爆破参数表 Table 3 Parameters table of smooth blasting 岩石种类周边眼 E/ cm周边眼最小抵 W/ cm相对距离 E/ W装药集中度 q/ （kgm -1） 软质岩5045 600 75 0 800 07 0 12 4 2 爆破参数设计 该隧道采用三台阶七步法开挖方案， 全断面单 延米开挖体积约 85 94 m3， 其中周边眼为不耦合间 隔装药， 装药满度系数为 15， 其他眼装药满度系 数为 75 80。其中上台阶与中台阶、 中台阶与 下台阶两侧连接处各设置 1 导向作用的孔， 上台阶 左中右掏槽眼各设置两个导向孔， 作为最初临空面。 4 2 1 周边眼的设计 （1） 确定装药不耦合系数 B， 并计算炸药的直径 按照施工经验 ［4］， 确定装药不耦合系数为 1 3。 25爆 破 2016 年 3 月 采用钻头直径 42 mm 的风动气推式凿岩机， 钻孔直 径 42 mm， 计算出炸药直径为 dt dk/ B 42 1 3 ≈ 32 mm 式中 dt为炸药直径， mm； dk为钻孔直径； B 为不耦 合系数。 （2） 确定周边眼间距 E 和最小抵抗线 W 取千枚岩坚固系数为 2， 板岩坚固系数为 6， 该 隧道开挖面总体为板岩夹千枚岩或者千枚岩夹板 岩， 取坚固系数 4 6， 从表 4 中可以取岩石破坏屈 服系数为 0 56。 表 4 岩石破坏屈服系数表 Table 4 Yield coefficient table of rock failure 坚固系数，f 值KP 值 4 60 56 80 53 100 51 120 48 注 f 是岩石极限抗压强度的 1/10 周边眼间距根据施工经验采用不耦合装药方式， 取 E 50 cm。最小抵抗线 W 125E 625 cm。 （3） 确定周边眼的装药量 周边眼的单孔装药量， 采用不耦合装药方式 ［5］， 根据实际经验采用一节半炸药三段间隔装填， 取装药 集中系数为 0 15 kg/ m， 周边眼单孔装药量为 qz ηL （Ql/ l）015 2 （02 02）03 kg。 式中 Ql为单个药卷的重量， kg； l 为单个药卷 的长度， m。 （4） 周边眼的数量 N L E 1 2400 50 1 49 个， 去掉周边四 个导向空孔为 4 个， 周边眼装药总量为 49 0 3 14 7 kg。 4 2 2 其他炮眼 计算总装药量 Q qv 式中 q 为单位体积岩体的耗药量， 根据经验取值为 0 7 kg/ m3； v 为单个循环开挖的体积， v q0l， q0为 单延米开挖体积， q0 85 94m3； L 为单循环开挖进 尺， L 2 m。总装药 Q qv 0 7 85 94 2 120 3 kg 计算除周边眼外其他炮眼的平均装药量 ［6］ Q0 Lα （Ql/ l） 式中 L 为循环开挖长度， L 2 m； Ql为单个药卷的 重量， kg； l 为单个药卷的长度， Ql/ l 为炸药的线密 度； α 为除周边眼外平均装药系数， 根据工程实际取 经验值 0 7。 Q0 Lα （Ql/ l）2 0 7 （0 2 0 2）1 4 kg 其他炮眼的数量 N2 Q - Qz Q0 式中 N2为其他炮眼的数目； Q 为设计总装药量， kg； Qz为周边眼装药量， kg； Q0为其他炮眼的平均装 药量， kg。 N2（120 3 - 14 7） 1 4 ≈ 75 （个） 与实际情况相符合。 4 2 3 上台阶掏槽眼的设计 在上台阶的开挖过程中本着充分合理利用毫秒 差爆破形成的临空面对隧道进行爆破掘进。此外掏 槽眼设置在距离上台阶核心土的上、 左、 右方 10 cm 处， 在设计中三个掏槽眼中存在一个较深的孔 ［7］， 其目的是把掏槽眼 1 段的爆破碎石送出槽外， 为下 一级爆破提供新的临空面， 为保证爆破效果 ［8］， 保 证不补炮， 同时使得预留核心土可以比较易于清理， 在适当位置增加辅助眼。炮眼布置分布及段别设计 图如 3 所示。 图 3 上台阶爆破炮眼布置分布及段别设计图 Fig 3 The arrangement of blast-hole and sections design upper the tunnel 4 2 4 上台阶底板眼的设计 计算底板眼的装药量， 按照工程经验取装药系 数 0 76。 q βL （Ql/ l） 0 76 2 1 1 18 kg 单孔需要炸药卷数 n 152 02 76≈8 （卷） 根据实际情况取底板眼间距如图所示均匀布置。 4 2 5 上台阶辅助眼的设置 辅助眼的爆破时间在掏槽眼之后 ［9， 10］， 其目的 是为了进一步扩大掏槽眼为之后的爆破充分制造临 空面， 从而保证爆破的效果。其布置原则为整体性 较好的硬岩布眼宜密， 而破碎、 节理发育的岩层布眼 宜疏。 4 2 6 中下台阶炮眼的设计 中下台阶炮眼设计原则为在合理利用临空面的 35第 33 卷 第 1 期 袁红所， 张家铭， 贺立新， 等 复杂地质条件下隧道爆破方案优化设计 基础上 ［11］， 逐级确定爆破顺序， 根据现场三台阶实 际开挖情况， 适当采用小角度倾斜孔， 孔位布置如图 4 所示。 图 4 中下台阶孔位布置图 （单位 cm） Fig 4 Blast-hole arrangement drawing of the lower part （unit cm） 5 爆破网路 起爆方式采用 1 13 段非电毫秒延时雷管， 利 用圈 （排） 间的毫秒差延时起爆， 上台阶起爆顺序由 里 （掏槽眼部位） 向外 （周边眼） 逐圈进行起爆， 中下 台阶起爆顺序由靠近临空面到周边眼逐渐延伸进行 起爆。周边眼用伸出孔外大于空间距 20 cm 的红线 以 “T” 型方式双向顺次绑扎连接牢固， 连接点在各 孔口处； 其余炮孔均采用孔内延时起爆， 每个炮孔内 装一个导爆管雷管， 采用 “捆联” 的方式连接整个起 爆网络， 每捆导爆管控制在 15 20 根内， 而每捆导 爆管再用 2 发 1 段非电导爆管反向搭接， 最后再用 “捆连” 方式进行连接进行起爆， 孔口堵塞炮泥后， 用电火花起爆器来引爆非电导爆管从而起爆雷管直 至整个网络如图 5。 图 5 爆破网路图 Fig 5 Network diagram of blasting 6 爆破效果 爆破效果良好， 半孔率达 80以上， 无哑炮， 超 挖量从平均 30 cm 以上降低到 10 cm 以内。大大提 高了爆破质量和施工进度。下图为采用此爆破方法 后的情况， 如图 6。 图 6 爆破效果图 Fig 6 Effect diagram of blasting 7 结论 以鹧鸪山隧道爆破为例， 介绍了对爆破参数的 优化设计。通过实践证明采用低密度、 低爆速乳化 炸药在 V 级围岩爆破施工中效果显著。具体结论 如下 （1） 完成了复杂围岩条件下的隧道爆破开挖， 通过现场试验及实时调整爆破参数可有效控制超挖 量， 把超挖量控制在在 10 cm 以内， 有效节省了喷浆 时间和喷浆量。 （2） 通过对爆破方式及孔位的优化减少了钻孔 数量， 节省了打钻的时间。同时减少围岩损伤， 光面 爆破效果好， 围岩相对较稳定， 掉块现象明显减轻。 （3） 使用红线引爆雷管， 采用顺接搭接和 “T” 型 打结的方式， 降低甚至消除了哑炮。 （4） 采用导火索集中反接方式， 消除了导线不 引燃的现象。 （5） 对掏槽眼的设计进行优化， 能合理利用临 空面， 达到最大限度的爆破岩层， 增大了炸药压力的 利用率。 （6） 对比原爆破参数和优化后的爆破方案参数 计算， 采用周边孔不耦合的炸药装填方式， 使得原来 每次单循环炸药用量 224 4 kg 减少到了每次 120 3 kg， 平均每个周边孔可以节省 1 kg 乳化炸药， 从原来的每个孔 5 7 节炸药减少到 1 5 节， 大大降 低炸药成本。 （下转第 67 页） 45爆 破 2016 年 3 月 pass bridge pier ［j］ Blasting， 2000， 17 （2） 67-68（in Chinese） ［4］ 张继春， 吴青山， 夏真荣， 等 抗拔桩孔开挖控制爆破 技术 ［j］ 爆破， 2001， 18 （2） 26-29 ［4］ ZHANG ji-chun， WU Qing-shan， XIA Zhen-rong， et al Controlled blasting technique of the excavation of tensile pile holes ［j］ Blasting， 2001， 18 （2） 26-29（in Chi- nese） ［5］ 唐润婷， 李鹏飞， 苏华友 桥梁桩基爆破施工对邻近埋地 天然气管线的影响 ［j］ 工程爆破， 2011， 17 （1） 78-81 ［5］ TANG Run-ting， LI Peng-fei， SU Hua-you Influence of blasting construction of the bridge pile foundation on adja- cent buried gas pipeline ［j］ Engineering Blasting， 2011， 17 （1） 78-81 （in Chinese） ［6］ 苏 军 临近既有线深孔桩基爆破施工技术 ［j］ 铁道 建筑技术， 2014 （5） 114-116 ［6］ SU jun Construction technology of deep hole pile founda- tion blasting near existing line ［j］ Railway Construction Technology， 2014 （5） 114-116 （in Chinese） ［7］ 程远学， 程 康， 周子然， 等 人工挖孔桩爆破开挖技 术探讨 ［j］ 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